基于非定常動(dòng)量源方法的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)氣動(dòng)分析及性能優(yōu)化.pdf

1、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具有比常規(guī)直升機(jī)高得多的前飛速度和續(xù)航能力，又具有常規(guī)固定翼飛機(jī)所不具備的垂直起降和懸停能力，能滿足多種飛行任務(wù)的需要，因此近年來(lái)無(wú)論在軍用或民用方面對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的需求越來(lái)越大。然而，作為介于直升機(jī)和固定翼之間的一種機(jī)型，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具有比兩者更為復(fù)雜的氣動(dòng)干擾現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的氣動(dòng)性能。因此，開(kāi)展傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)復(fù)雜氣動(dòng)干擾的分析及氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。本文基于非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格系統(tǒng)，提出并建立了用于傾轉(zhuǎn)

2、旋翼機(jī)氣動(dòng)干擾特性分析的非定常動(dòng)量源方法，并應(yīng)用建立的數(shù)值模擬方法分別開(kāi)展傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)多狀態(tài)氣動(dòng)干擾流場(chǎng)分析、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)結(jié)構(gòu)/氣動(dòng)參數(shù)的影響特性分析、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)多狀態(tài)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要研究工作包括以下幾個(gè)方面：
　　第一章，針對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)復(fù)雜的氣動(dòng)干擾問(wèn)題，分析了國(guó)內(nèi)外在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬方法、動(dòng)量源方法以及傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)研究方面的技術(shù)現(xiàn)狀及難點(diǎn)，并指出了采用耦合新型非定常動(dòng)量源模型的數(shù)值模擬方法對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)非定常流

3、場(chǎng)及氣動(dòng)特性數(shù)值模擬的必要性和重要意義。
　　第二章，為了充分捕捉附面層內(nèi)粘性流動(dòng)對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)氣動(dòng)特性的影響，同時(shí)考慮多種飛行狀態(tài)特點(diǎn)，構(gòu)建了底層三棱柱網(wǎng)格—外層四面體網(wǎng)格相結(jié)合的非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格系統(tǒng)。為了滿足非定常動(dòng)量源計(jì)算的需要，將非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格、二維翼型網(wǎng)格和笛卡爾搜索網(wǎng)格相耦合，建立了一套傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)干擾流場(chǎng)數(shù)值模擬的網(wǎng)格生成方法，并給出了多種網(wǎng)格生成結(jié)果。
　　第三章，在建立的網(wǎng)格生成方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了適用于不同飛行

4、狀態(tài)下傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)非定常流場(chǎng)數(shù)值模擬方法。為了兼顧傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)干擾流場(chǎng)的模擬精度和效率，首先，提出了一種介于貼體CFD方法與傳統(tǒng)動(dòng)量源方法之間的非定常動(dòng)量源方法；然后，將Navier-Stokes方程作為控制方程，湍流模型選取了一方程S-A模型，采用了雙時(shí)間推進(jìn)方法；并引入OpenMP并行加速技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)不同模型旋翼流場(chǎng)的算例計(jì)算，驗(yàn)證了本文方法的有效性，同時(shí)對(duì)比反映了非定常動(dòng)量源方法具有較好的計(jì)算精度和效率。
　　第四章，

5、為了揭示傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的非定常氣動(dòng)干擾現(xiàn)象，在上述分析方法基礎(chǔ)上，對(duì)懸停、前飛（直升機(jī)模式、飛機(jī)模式）以及過(guò)渡狀態(tài)下傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的全機(jī)氣動(dòng)干擾流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。細(xì)致分析了懸停狀態(tài)下傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)特有的“噴泉效應(yīng)”、不同前飛模式下干擾程度和方式的差別以及不同過(guò)渡狀態(tài)下的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)氣動(dòng)特性變化特征等，獲得了多狀態(tài)下傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)非定常干擾流場(chǎng)的特性。
　　第五章，為了獲得不同結(jié)構(gòu)/氣動(dòng)參數(shù)對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)干擾流場(chǎng)的影響特性，針對(duì)不同飛行狀態(tài)，分別開(kāi)展了旋

6、翼/機(jī)翼間距、機(jī)翼襟翼角、旋翼轉(zhuǎn)向及尾翼構(gòu)型對(duì)全機(jī)流場(chǎng)的干擾影響，獲得了相應(yīng)的參數(shù)影響規(guī)律。并進(jìn)一步分析了各部件對(duì)機(jī)翼的氣動(dòng)干擾方式和程度，為進(jìn)行傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)多目標(biāo)、多狀態(tài)的氣動(dòng)優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。
　　第六章，將CFD方法和代理模型方法相結(jié)合，建立了一套適用于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)氣動(dòng)外形綜合優(yōu)化的高效優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。為了提高傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的運(yùn)輸性能，以降低干擾狀態(tài)下懸停狀態(tài)的機(jī)身增重和前飛狀態(tài)下的阻力為優(yōu)化目標(biāo)，選取機(jī)翼后掠角、翼型配置等作為設(shè)計(jì)參數(shù)